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摘要：结合吴堡黄河特大桥承台高压旋喷防渗墙支护方案，通过对高压旋喷防渗墙进行理论计算，并对比几种不同结构尺寸高压旋喷防渗墙试验围井，得出试验围井造价最低的方案。在试验过程中总结出最佳高压旋喷参数，试验后检验高压旋喷防渗墙的支护和防渗效果。
关键词：高压旋喷 固结体 试验围井 Midas civil
Abstract: This article is based on Wubao the Yellow River bridge pile cap high-pressure grouting impervious wall supporting scheme, through calculating theory of high pressure jet grouting impervious wall, and comparison of several different sizes of high pressure jet grouting impervious wall test well, the well the lowest cost solution. Summed up the optimum high pressure jet grouting parameters in the test process, high-pressure grouting impervious wall support and anti-seepage effect test after test.
Keywords: high pressure jet grouting consolidation confining well Midas civil
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
引言
高压旋喷桩自我国70年代初期开始引进和开发应用此项技术以来，大多都用于水利工程防渗墙，基坑防渗及地基加固等。我们大胆提出设想，在筑岛围堰的基础上采用高压旋喷防渗墙做为防渗、挡土作用，直接垂直开挖，将很大程度上节约施工成本，而且不会扩大围堰尺寸。由于旋喷桩桩体强度不均匀，抗弯、抗剪能力较弱，用作挡土结构时要十分谨慎，所以拟采用加大墙身厚度的方式来提高墙身的刚度及抗剪能力。高压旋喷加固体相对于一般土体和砂体来说强度有了非常大的提高，而且围堰加固深度仅为6.0m，桩体的垂直度可以得到很大的保证，从而使得旋喷桩的加固防渗效果更好。
1、试验目的
为了验证高压旋喷防渗墙的可行性，检测高压旋喷支护能力及旋喷桩的防渗效果，确定高压旋喷的各项技术参数，我们拟对高压旋喷防渗墙工艺进行现场试验，试验采用围井试验方案。
2、试验围井设计
为了确定试验围井的具体尺寸，即保证达到试验效果，又具有一定的经济性，特按以下思路进行实验围井设计。
2.1各种力学参数选取
根据筑岛围堰施工形式及特点，外围采用渣石、片石及沙袋填码，土压力可以忽略不计，围堰主要抵抗外侧水压力，根据筑岛围堰顶高为642.0m，所以承受水压力最大高度为6.0m，既模拟6.0m高度的水压力即可。
模型的建立其中很重要的一部分为高压旋喷固结体的强度及弹模取值问题，总体来说，砂土高压旋喷桩桩心强度较高，至少可以达到3.0Mpa，劈拉强度约为0.5Mpa，弹模取平均值约为1.8×103Mpa。固结体容重取18KN/m3。计算时按旋喷防渗墙与基岩固结考虑，墙厚3.0m，长度按实际长度计算，计入自重，周围水压力高度按6.0m高计算。
下面为Midas Civil有限元分析軟件建模计算几种情况，仅供参考，单位为：kN，m2。
2.2、内尺寸44m×23m围井受力计算
图1、内尺寸44m×23m围井高压旋喷防渗墙剪应力等值线图
上图为内尺寸44m×23m围井高压旋喷防渗墙的计算剪应力等值线示意图，单位为KN/m2，由上图可以看出，最大剪应力均集中在长边方向基坑内部防渗墙墙脚（红色区域），最大剪应力为0.158Mpa。
图2、内尺寸44m×23m围井高压旋喷防渗墙正应力等值线图
上图为44m×23m围井高压旋喷防渗墙的正应力等值线图,最大拉应力0.122Mpa，最大压应力为0.320Mpa。最大压应力集中在基坑内侧防渗墙墙脚（红色区域），最大拉应力集中于长边方向外侧墙脚(蓝色区域)。
2.3、按重力式挡墙（39m）计算
考虑到做试验与实际情况到底有多大的可比性，以及试验基坑尽量做小以节省投入，如果仅按一段重力挡墙来计算，墙身的应力与基坑模型相差多大也是必须了解的，所以采用Midas Civil有限元分析软件建了一个长39.0m的挡墙模型，现将计算结果列出：
图3、39m挡墙正应力等值线图
上图为正应力等值线图，最大压应力集中于内侧墙脚(红色区域)，为0.321Mpa，最大拉应力集中于长边方向外侧墙脚(蓝色)，为0.133Mpa。
图4、39m挡墙剪应力等值线图
以上为39米长高压旋喷防渗墙的计算剪应力等值线示意，单位为KN/m2，由上图可以看出，最大剪应力均集中防渗墙墙脚（红色区域），最大剪应力为0.158Mpa。
2.4、试验围井受力计算
由于试验围井位于4#墩左侧黄河漫滩，即受水压力，也受土压力，按朗金土压力理论计算土压力，土体需处于极限平衡状态，而土体要达到极限平衡状态，围井必须有一个较大的变形值，至少约在6mm以上(引自《地下连续墙的设计施工与应用》)，模型按极限主动土压力计算是偏于安全的，粉砂取主动土压力系数为0.3，浮容重取9KN/m3。由于试验围井试验地点位于4#墩左侧漫滩处，该处现在地表标高约为639.5m，试验前需先采用砂土填高，然后进行试验。拟填高至标高641.0m，试验桩长有5.0m，试验模型仅按开挖后5.0m高的水压及土压力计算。
对于围井尺寸为多大情况下受力更接近于内尺寸44m×23m基坑受力情况还需进一步计算来确定，下面以初步拟定的内尺寸2.2m×9.4m为基础，在长边方向以2.5m递增的各种情况进行了受力分析，现将计算结果列出：
2.4.1、内尺寸为2.2m×9.4m
图5、1/4围井正应力等值线图(单位：KN/m2)
图6、1/4围井剪应力等值线图(单位：KN/m2)
2.4.2、内尺寸为2.2m×12.5m
图7、1/4围井正应力等值线图(单位：KN/m2)
图8、1/4围井剪应力等值线图(单位：KN/m2)
2.4.3、内尺寸为2.2m×15.0m
图9、1/4围井正应力等值线图(单位：KN/m2)
图10、1/4围井剪应力等值线图(单位：KN/m2)
2.4.4、内尺寸为2.2m×20.0m
图11、围井正应力等值线图(单位：KN/m2)
图12、围井剪应力等值线图(单位：KN/m2)
现将各种情况分析列表如下：
由上表可知，3米厚防渗墙应力均很小，各种情况应力相差均不大，且最大应力均集中于墙脚处，采用3米厚的高压防渗墙作为支护理论上可以通过，具体情况还需做试验证实。最大变形发生在防渗墙长边方向的中部,约0.3mm。
实际上根据工期安排承台施工时黄河正处于枯水期，黄河水位较低，约为639.0m左右，防渗墙受水压力比计算的小，根据上表受力分析数据，从节约成本的角度出发，试验围井取内尺寸2.2m×12.5m。
3、试验围井布置
试验地段选择在4#主墩左侧河滩地上，该处覆盖层中细砂层稍厚，由于漫滩顶标高约为639.0m，拟先采用黄土将场地平整至标高641.0m，旋喷桩长可达5.0m。按下图布孔方式进行高压旋喷桩试验。试验基坑主要检测支护效果，同时通过试验优化旋喷技术参数，检验高压旋喷固结体的各项物理性能指标。外侧高压旋喷桩桩直径按0.8m考虑，外侧一排桩孔距按0.6m布置，里面3排桩孔距按0.7m布置，排距为0.7m。根据理论计算结果，围井内尺寸拟定为： 2.2m×12.4m。高压旋喷试验围井布置图如下图所示：
图13、旋喷桩试验平面布置图（单位：m）
高压旋喷桩围井内侧第一排高压旋喷桩孔距布置为0.6m，外侧3排孔距按0.7m布置，排距按0.7m布置。首先应由测量队放出桩中心线，然后按下图所示顺序施工，先由内侧一圈高压旋喷桩开始施工，施工完内侧一圈高压旋喷桩后再施工第二圈旋喷桩，然后施工第三圈，最后施工长边方向的最外侧两排旋喷桩。
图14、施工顺序示意图（单位：m）
4、试验参数确定
根据以往高压旋喷施工参数，结合吴堡黄河特大桥覆盖层为细砂层这一特点，初步拟定高压旋喷参数如下表：
表1、高压旋喷试验参数表
由于机械设备已确定，浆压、气压、旋转速度已确定，主要是在提速及水泥浆比重进行控制，为了使试验达到比较好的效果，使旋喷桩固结体与基岩面结合牢固，以及保证旋喷桩固结体的桩体质量，提速可在12～15cm/min内调节，尽量使提速放缓，也要保证不会大量翻浆，水泥浆按水灰比1:1配置，泥浆比重为1.52g/cm3。
5、试验过程及成果分析
5.1、人员及机械设备配备
1）人员配备
一套高压旋喷设备需配备9人，其中机械操作人员：喷浆机3人、高压注浆机1人、搅拌水泥2人、引孔3人。
2）主要设备
XP-50型钻孔喷浆机1台，XPR-90F型高压注浆机1台（压强23MPa左右，喷浆量119L/min，喷嘴直径为3.2mm），空压机一台（最大压力1.6MPa）以及配电柜、泥浆管、水泥搅拌机等。
钻孔喷浆机空气压缩机
泥漿搅拌机高压注浆机
5.2、试验围井施工过程
试验围井施工从2006年12月1日开始到2006年12月18日晚11点结束，历时18天，共打212根桩，补打19根桩。12月1日至12月4日处于调试阶段打桩少，5日以后每天钻进深度在60米以上（一个班）。试验前期钻进主要靠高压旋喷钻机钻进，后发现有卵石层，于12月7日从1-32号桩开始使用专用钻孔的机械引孔。
高压旋喷桩施工过程中，为保证与基岩接触面的成桩质量，从基岩面开始到提出1.5m的范围内高压旋喷的钻杆提速控制为15cm/min，为节约水泥用量，其他部分全部采用提速为24cm/min。下图为水泥浆浆压控制和压缩空气压力控制仪表。
水泥浆浆压控制 压缩空气压力控制
高压旋喷桩施工工艺流程：钻机就位→引孔（扩孔）到设计标高→封堵垂向喷嘴→搅浆→由下向上旋喷作业到设计顶→冲洗→移位。
钻机引孔钻孔喷浆机施工
试验围井水泥总用量为310T，总钻进深度为924.8m。补钻了19根桩，有3根未打入，增加钻进深度为20.92m。补钻的往上搭接0.5m。成桩长度均比钻进深度底30～40cm。总成桩长度为：924.8-212×0.3+20.92+0.5×19=891.62m。则高压旋喷桩平均每米水泥用量为310T/891.62m=347.7kg/m。
5.3、取芯及基坑开挖检查
基坑开挖前对高压旋喷加固体进行了钻心取样，取出芯样如下图所示：
部分所取芯样已送试验室做室内物理力学性能检测分析。共取3组试件，每组试件28d抗压强度分别为5.9MPa、6.1MPa、11MPa。
基坑于2007年1月6日开挖完毕，基坑深约4.0m，基坑开挖后，内有少量积水，无水从坑壁渗出，仅有少量水从基岩面渗出，说明高压旋喷防渗墙止水效果较好，基坑开挖图见下图：
6、结论
从现场所能看到的高压旋喷固结体总体来说，桩体垂直，固结体呈螺旋层状分布，桩与桩之间能搭接成整体，从芯样来看，桩芯较均匀。
整体来说基坑有自稳的能力，芯样强度达到预期效果，并且在理论方面对吴堡黄河特大桥5号墩高压旋喷防渗墙支护方案具有一定的指导能力。
参考文献
[1]从蔼森，《地下连续墙的设计施工与应用》，北京：中国水利水电出版社，2000。
[2]交通部第一公路工程总公司，《桥涵》(上下册)，北京：人民交通出版社，1999。
[3]刘宝亨，《三重管高压喷射注浆技术参数的选择》
[4]李长华，龚德新，郭祥初，《运用高压旋喷建造土坝坝基灌浆盖板技术》
[5]MIDAS Information Technology Co., Ltd.《Midas civil用户手册》
关键词：高压旋喷 固结体 试验围井 Midas civil
Abstract: This article is based on Wubao the Yellow River bridge pile cap high-pressure grouting impervious wall supporting scheme, through calculating theory of high pressure jet grouting impervious wall, and comparison of several different sizes of high pressure jet grouting impervious wall test well, the well the lowest cost solution. Summed up the optimum high pressure jet grouting parameters in the test process, high-pressure grouting impervious wall support and anti-seepage effect test after test.
Keywords: high pressure jet grouting consolidation confining well Midas civil
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
引言
高压旋喷桩自我国70年代初期开始引进和开发应用此项技术以来，大多都用于水利工程防渗墙，基坑防渗及地基加固等。我们大胆提出设想，在筑岛围堰的基础上采用高压旋喷防渗墙做为防渗、挡土作用，直接垂直开挖，将很大程度上节约施工成本，而且不会扩大围堰尺寸。由于旋喷桩桩体强度不均匀，抗弯、抗剪能力较弱，用作挡土结构时要十分谨慎，所以拟采用加大墙身厚度的方式来提高墙身的刚度及抗剪能力。高压旋喷加固体相对于一般土体和砂体来说强度有了非常大的提高，而且围堰加固深度仅为6.0m，桩体的垂直度可以得到很大的保证，从而使得旋喷桩的加固防渗效果更好。
1、试验目的
为了验证高压旋喷防渗墙的可行性，检测高压旋喷支护能力及旋喷桩的防渗效果，确定高压旋喷的各项技术参数，我们拟对高压旋喷防渗墙工艺进行现场试验，试验采用围井试验方案。
2、试验围井设计
为了确定试验围井的具体尺寸，即保证达到试验效果，又具有一定的经济性，特按以下思路进行实验围井设计。
2.1各种力学参数选取
根据筑岛围堰施工形式及特点，外围采用渣石、片石及沙袋填码，土压力可以忽略不计，围堰主要抵抗外侧水压力，根据筑岛围堰顶高为642.0m，所以承受水压力最大高度为6.0m，既模拟6.0m高度的水压力即可。
模型的建立其中很重要的一部分为高压旋喷固结体的强度及弹模取值问题，总体来说，砂土高压旋喷桩桩心强度较高，至少可以达到3.0Mpa，劈拉强度约为0.5Mpa，弹模取平均值约为1.8×103Mpa。固结体容重取18KN/m3。计算时按旋喷防渗墙与基岩固结考虑，墙厚3.0m，长度按实际长度计算，计入自重，周围水压力高度按6.0m高计算。
下面为Midas Civil有限元分析軟件建模计算几种情况，仅供参考，单位为：kN，m2。
2.2、内尺寸44m×23m围井受力计算
图1、内尺寸44m×23m围井高压旋喷防渗墙剪应力等值线图
上图为内尺寸44m×23m围井高压旋喷防渗墙的计算剪应力等值线示意图，单位为KN/m2，由上图可以看出，最大剪应力均集中在长边方向基坑内部防渗墙墙脚（红色区域），最大剪应力为0.158Mpa。
图2、内尺寸44m×23m围井高压旋喷防渗墙正应力等值线图
上图为44m×23m围井高压旋喷防渗墙的正应力等值线图,最大拉应力0.122Mpa，最大压应力为0.320Mpa。最大压应力集中在基坑内侧防渗墙墙脚（红色区域），最大拉应力集中于长边方向外侧墙脚(蓝色区域)。
2.3、按重力式挡墙（39m）计算
考虑到做试验与实际情况到底有多大的可比性，以及试验基坑尽量做小以节省投入，如果仅按一段重力挡墙来计算，墙身的应力与基坑模型相差多大也是必须了解的，所以采用Midas Civil有限元分析软件建了一个长39.0m的挡墙模型，现将计算结果列出：
图3、39m挡墙正应力等值线图
上图为正应力等值线图，最大压应力集中于内侧墙脚(红色区域)，为0.321Mpa，最大拉应力集中于长边方向外侧墙脚(蓝色)，为0.133Mpa。
图4、39m挡墙剪应力等值线图
以上为39米长高压旋喷防渗墙的计算剪应力等值线示意，单位为KN/m2，由上图可以看出，最大剪应力均集中防渗墙墙脚（红色区域），最大剪应力为0.158Mpa。
2.4、试验围井受力计算
由于试验围井位于4#墩左侧黄河漫滩，即受水压力，也受土压力，按朗金土压力理论计算土压力，土体需处于极限平衡状态，而土体要达到极限平衡状态，围井必须有一个较大的变形值，至少约在6mm以上(引自《地下连续墙的设计施工与应用》)，模型按极限主动土压力计算是偏于安全的，粉砂取主动土压力系数为0.3，浮容重取9KN/m3。由于试验围井试验地点位于4#墩左侧漫滩处，该处现在地表标高约为639.5m，试验前需先采用砂土填高，然后进行试验。拟填高至标高641.0m，试验桩长有5.0m，试验模型仅按开挖后5.0m高的水压及土压力计算。
对于围井尺寸为多大情况下受力更接近于内尺寸44m×23m基坑受力情况还需进一步计算来确定，下面以初步拟定的内尺寸2.2m×9.4m为基础，在长边方向以2.5m递增的各种情况进行了受力分析，现将计算结果列出：
2.4.1、内尺寸为2.2m×9.4m
图5、1/4围井正应力等值线图(单位：KN/m2)
图6、1/4围井剪应力等值线图(单位：KN/m2)
2.4.2、内尺寸为2.2m×12.5m
图7、1/4围井正应力等值线图(单位：KN/m2)
图8、1/4围井剪应力等值线图(单位：KN/m2)
2.4.3、内尺寸为2.2m×15.0m
图9、1/4围井正应力等值线图(单位：KN/m2)
图10、1/4围井剪应力等值线图(单位：KN/m2)
2.4.4、内尺寸为2.2m×20.0m
图11、围井正应力等值线图(单位：KN/m2)
图12、围井剪应力等值线图(单位：KN/m2)
现将各种情况分析列表如下：
由上表可知，3米厚防渗墙应力均很小，各种情况应力相差均不大，且最大应力均集中于墙脚处，采用3米厚的高压防渗墙作为支护理论上可以通过，具体情况还需做试验证实。最大变形发生在防渗墙长边方向的中部,约0.3mm。
实际上根据工期安排承台施工时黄河正处于枯水期，黄河水位较低，约为639.0m左右，防渗墙受水压力比计算的小，根据上表受力分析数据，从节约成本的角度出发，试验围井取内尺寸2.2m×12.5m。
3、试验围井布置
试验地段选择在4#主墩左侧河滩地上，该处覆盖层中细砂层稍厚，由于漫滩顶标高约为639.0m，拟先采用黄土将场地平整至标高641.0m，旋喷桩长可达5.0m。按下图布孔方式进行高压旋喷桩试验。试验基坑主要检测支护效果，同时通过试验优化旋喷技术参数，检验高压旋喷固结体的各项物理性能指标。外侧高压旋喷桩桩直径按0.8m考虑，外侧一排桩孔距按0.6m布置，里面3排桩孔距按0.7m布置，排距为0.7m。根据理论计算结果，围井内尺寸拟定为： 2.2m×12.4m。高压旋喷试验围井布置图如下图所示：
图13、旋喷桩试验平面布置图（单位：m）
高压旋喷桩围井内侧第一排高压旋喷桩孔距布置为0.6m，外侧3排孔距按0.7m布置，排距按0.7m布置。首先应由测量队放出桩中心线，然后按下图所示顺序施工，先由内侧一圈高压旋喷桩开始施工，施工完内侧一圈高压旋喷桩后再施工第二圈旋喷桩，然后施工第三圈，最后施工长边方向的最外侧两排旋喷桩。
图14、施工顺序示意图（单位：m）
4、试验参数确定
根据以往高压旋喷施工参数，结合吴堡黄河特大桥覆盖层为细砂层这一特点，初步拟定高压旋喷参数如下表：
表1、高压旋喷试验参数表
由于机械设备已确定，浆压、气压、旋转速度已确定，主要是在提速及水泥浆比重进行控制，为了使试验达到比较好的效果，使旋喷桩固结体与基岩面结合牢固，以及保证旋喷桩固结体的桩体质量，提速可在12～15cm/min内调节，尽量使提速放缓，也要保证不会大量翻浆，水泥浆按水灰比1:1配置，泥浆比重为1.52g/cm3。
5、试验过程及成果分析
5.1、人员及机械设备配备
1）人员配备
一套高压旋喷设备需配备9人，其中机械操作人员：喷浆机3人、高压注浆机1人、搅拌水泥2人、引孔3人。
2）主要设备
XP-50型钻孔喷浆机1台，XPR-90F型高压注浆机1台（压强23MPa左右，喷浆量119L/min，喷嘴直径为3.2mm），空压机一台（最大压力1.6MPa）以及配电柜、泥浆管、水泥搅拌机等。
钻孔喷浆机空气压缩机
泥漿搅拌机高压注浆机
5.2、试验围井施工过程
试验围井施工从2006年12月1日开始到2006年12月18日晚11点结束，历时18天，共打212根桩，补打19根桩。12月1日至12月4日处于调试阶段打桩少，5日以后每天钻进深度在60米以上（一个班）。试验前期钻进主要靠高压旋喷钻机钻进，后发现有卵石层，于12月7日从1-32号桩开始使用专用钻孔的机械引孔。
高压旋喷桩施工过程中，为保证与基岩接触面的成桩质量，从基岩面开始到提出1.5m的范围内高压旋喷的钻杆提速控制为15cm/min，为节约水泥用量，其他部分全部采用提速为24cm/min。下图为水泥浆浆压控制和压缩空气压力控制仪表。
水泥浆浆压控制 压缩空气压力控制
高压旋喷桩施工工艺流程：钻机就位→引孔（扩孔）到设计标高→封堵垂向喷嘴→搅浆→由下向上旋喷作业到设计顶→冲洗→移位。
钻机引孔钻孔喷浆机施工
试验围井水泥总用量为310T，总钻进深度为924.8m。补钻了19根桩，有3根未打入，增加钻进深度为20.92m。补钻的往上搭接0.5m。成桩长度均比钻进深度底30～40cm。总成桩长度为：924.8-212×0.3+20.92+0.5×19=891.62m。则高压旋喷桩平均每米水泥用量为310T/891.62m=347.7kg/m。
5.3、取芯及基坑开挖检查
基坑开挖前对高压旋喷加固体进行了钻心取样，取出芯样如下图所示：
部分所取芯样已送试验室做室内物理力学性能检测分析。共取3组试件，每组试件28d抗压强度分别为5.9MPa、6.1MPa、11MPa。
基坑于2007年1月6日开挖完毕，基坑深约4.0m，基坑开挖后，内有少量积水，无水从坑壁渗出，仅有少量水从基岩面渗出，说明高压旋喷防渗墙止水效果较好，基坑开挖图见下图：
6、结论
从现场所能看到的高压旋喷固结体总体来说，桩体垂直，固结体呈螺旋层状分布，桩与桩之间能搭接成整体，从芯样来看，桩芯较均匀。
整体来说基坑有自稳的能力，芯样强度达到预期效果，并且在理论方面对吴堡黄河特大桥5号墩高压旋喷防渗墙支护方案具有一定的指导能力。
参考文献
[1]从蔼森，《地下连续墙的设计施工与应用》，北京：中国水利水电出版社，2000。
[2]交通部第一公路工程总公司，《桥涵》(上下册)，北京：人民交通出版社，1999。
[3]刘宝亨，《三重管高压喷射注浆技术参数的选择》
[4]李长华，龚德新，郭祥初，《运用高压旋喷建造土坝坝基灌浆盖板技术》
[5]MIDAS Information Technology Co., Ltd.《Midas civil用户手册》